研究人员正在努力确定抗癌药物到达他们应该治疗的肿瘤的最佳方法。一种选择是利用改良细菌作为“渡轮”，通过血液将药物运送到肿瘤。苏黎世联邦理工学院的研究人员现在已经成功地控制了一些细菌，使它们可以通过血管壁并浸润肿瘤组织。
研究人员正在努力确定抗癌药物到达他们应该治疗的肿瘤的最佳方法。一种选择是利用改良细菌作为“渡轮”，通过血液将药物运送到肿瘤。苏黎世联邦理工学院的研究人员现在已经成功地控制了一些细菌，使它们可以通过血管壁并浸润肿瘤组织。
由响应式生物医学系统教授Simone Schürle领导的苏黎世联邦理工学院研究人员选择对细菌进行实验，这些细菌由于其含有氧化铁颗粒而具有固有磁性。这些磁螺旋菌对磁场有反应，可以被外部磁铁操纵。
磁性细菌（灰色）可以挤过狭窄的细胞间隙穿过血管壁并浸润肿瘤。来源：Yimo Yan / ETH Zurich
利用暂时的差距
Schürle和她的同事现在已经在细胞培养物和小鼠中表明，对肿瘤施加旋转磁场可以增强细菌穿过癌变生长周围血管壁的能力。旋转磁场在血管壁上以圆周运动驱动细菌前进。
为了更好地理解穿过血管壁的机制，有必要进行详细的研究：血管壁由一层细胞组成，并作为血流和肿瘤组织之间的屏障，肿瘤组织被许多小血管渗透。这些细胞之间的狭窄空间允许某些分子穿过血管壁。这些细胞间空间的大小由血管壁的细胞调节，它们可以暂时足够宽，甚至允许细菌穿过血管壁。
强大的推进力和高概率
在实验和计算机模拟的帮助下，苏黎世联邦理工学院的研究人员能够证明，使用旋转磁场推动细菌是有效的，原因有三。首先，通过旋转磁场推进比通过静态磁场推进的推进力强十倍。后者只是设定方向，细菌必须在自己的力量下移动。
第二个也是最关键的原因是，由旋转磁场驱动的细菌不断运动，沿着血管壁行进。与其他推进类型相比，这使得它们更有可能遇到血管壁细胞之间短暂打开的间隙，其中细菌的运动较少探索。第三，与其他方法不同，细菌不需要通过成像进行追踪。一旦磁场定位在肿瘤上，就不需要重新调整。
“货物”堆积在肿瘤组织中
“我们也利用细菌的自然和自主运动，”Schürle解释说。“一旦细菌穿过血管壁并进入肿瘤，它们就可以独立迁移到其内部深处。出于这个原因，科学家们通过外部磁场使用推进力仅一小时 - 足够长的时间让细菌有效地穿过血管壁并到达肿瘤。
这些细菌将来可以携带抗癌药物。在他们的细胞培养研究中，苏黎世联邦理工学院的研究人员通过将脂质体（脂肪样物质的纳米球）附着在细菌上来模拟这种应用。他们用荧光染料标记这些脂质体，这使他们能够在培养皿中证明细菌确实在癌组织内传递了它们的“货物”，并在那里积累。在未来的医疗应用中，脂质体将充满药物。
细菌性癌症治疗
使用细菌作为药物的渡船是细菌可以帮助对抗癌症的两种方式之一。另一种方法已有一百多年的历史，目前正在复兴：利用某些细菌的自然倾向来破坏肿瘤细胞。这可能涉及几种机制。无论如何，已知细菌刺激免疫系统的某些细胞，然后消除肿瘤。
目前正在研究多个研究项目正在研究大肠杆菌对肿瘤的功效。今天，有可能使用合成生物学来修饰细菌，以优化其治疗效果，减少副作用并使其更安全。
使非磁性细菌具有磁性
然而，要在癌症治疗中使用细菌的固有特性，这些细菌如何有效地到达肿瘤的问题仍然存在。虽然可以将细菌直接注射到身体表面附近的肿瘤中，但对于体内深处的肿瘤来说，这是不可能的。这就是Schürle教授的微型机器人控制的用武之地。 “我们相信我们可以使用我们的工程方法来提高细菌癌症治疗的疗效，”她说。
癌症研究中使用的大肠杆菌没有磁性，因此不能由磁场推动和控制。一般来说，磁响应性在细菌中是一种非常罕见的现象。磁螺旋体是少数具有这种特性的细菌属之一。
因此，Schürle也想使大肠杆菌具有磁性。有朝一日，这有可能使使用磁场来控制没有天然磁性的临床治疗细菌成为可能。
参考文献：T. Gwisai、N. Mirkhani、M. G. Christiansen、T. T. Nguyen、V. Ling 和 S. Schuerle，2022 年 10 月 26 日，科学机器人。
DOI： 10.1126/scirobotics.abo0665